數(shù)控軸承座球面孔鏜床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、數(shù)控軸承座球面孔鏜床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)潘繼超1，周有華2，李自立1，吳鐵成1（1.新鄉(xiāng)日升數(shù)控軸承裝備股份有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453700; 2.泛科軸承集團(tuán)有限公司,福建 泉州 362300）摘要：本文通過對(duì)比分析兩軸插補(bǔ)和單軸擺動(dòng)這兩種方式在加工軸承座球面孔時(shí)刀具軌跡的形成原理，論述了后者在機(jī)械結(jié)構(gòu)上容易形成輪廓精度更高的圓弧軌跡，進(jìn)而加工出球形誤差更小的球面孔。在此基礎(chǔ)上，介紹了采用刀具單軸擺動(dòng)成形原理設(shè)計(jì)的數(shù)控軸承座球面孔鏜床。該設(shè)備能夠自動(dòng)化上下工件，一次裝夾自動(dòng)完成軸承座的粗鏜底孔、粗鏜球面、鏜油槽及精鏜球面等工序，在提高加工精度及穩(wěn)定性、降低人力成本、節(jié)約能源消耗等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，為

2、軸承座加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)一人操作多機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)模式奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：帶座外球面軸承;軸承座;球面孔; 鏜床;刀具軌跡;兩軸插補(bǔ);單軸擺動(dòng)Structural Design of CNC Boring Machine for Spherical Surface Bore of Bearing HousingsPan Jichao1, Zhou Youhua2, Li Zili1, Wu Tiecheng1, (1Xinxiang Sunrise CNC Bearing Equipment Co., Ltd., Xinxiang 453700,China; 2 FK Bearing Group Co

3、., Ltd., Quanzhou 362300,China )Abstract: In this article, through contrast analysis of the forming principle of two axis interpolation and single axis swing in processing the bearing seat spherical hole of tool path, discusses the single axis swing is easy to form higher profile accuracy of arc tra

4、ck in the mechanical structure, and then processed smaller spherical error of the spherical hole. On this basis, introduces the CNC bearing seat tool spherical hole boring machine which designed by using toll single axis swing forming principle. The device is capable of automatic loading and unloadi

5、ng, automatically complete the bottom hole rough boring, spherical rough boring, oil groove boring and spherical finish boring of bearing seat in once clamping, it has obvious advantages in improve machining precision and stability, reduce the manpower cost, save energy consumption and other areas,

6、to lay the foundation for the multi-machine with one operator automatic production pattern in bearing seat processing industry.Key words:insert bearing with housing; bearing housing; spherical surface bore; boring machine; tool path; two-axis interpolation; Single-axis swing 61軸承座球面孔的加工1.1球面成形原理分析球面

7、的形成可以看作是一條圓弧母線沿一個(gè)圓形導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的軌跡，加工方法大致分為四種：成形法、仿形法、范成法和刀尖軌跡法1。成形法受刀具刃口損耗影響大，一般用于內(nèi)球面孔的粗加工；仿形法受靠模板精度影響大，適用場(chǎng)合與成形法類似；范成法成形精度高，一般適用于內(nèi)球面孔的磨加工。刀尖軌跡法則應(yīng)用廣泛，粗精加工皆宜，本文主要探討采用刀尖軌跡法加工球面孔的設(shè)備。刀尖軌跡法加工出球面孔條件：刀具在沿球面孔軸線的剖面內(nèi)的移動(dòng)軌跡必須是段圓弧，且圓心位于球面孔的軸線上，即形成圓弧母線；刀具與工件沿被加工球面孔的軸線相對(duì)旋轉(zhuǎn)即形成圓形導(dǎo)線。如圖1所示：圖1 球面孔成形原理圖Fig.1 The schematic diagr

8、am of spherical hole forming刀尖在平面內(nèi)形成圓弧軌跡的機(jī)械方式又分為兩種：兩軸插補(bǔ)和單軸擺動(dòng)。刀具與工件哪一方相對(duì)旋轉(zhuǎn)，理論上對(duì)加工球形精度并無影響。因此我們重點(diǎn)分析刀具走圓弧軌跡的兩種方式，甄別哪種方式在機(jī)械上容易形成更高精度的圓弧輪廓。兩軸插補(bǔ)方式走圓弧軌跡刀具尖部與切削輪廓的夾角Kr隨進(jìn)給不斷在變化，刀尖的幾何形狀誤差直接影響加工輪廓的精度，呈復(fù)映誤差累加關(guān)系。如圖4所示：圖2 刀具兩軸插補(bǔ)走圓弧軌跡原理圖Fig.2 The principle diagram of tool take two axis interpolation arc trajectory

9、 單軸擺動(dòng)方式走圓弧軌跡刀具尖部與切削輪廓的夾角Kr隨進(jìn)給始終無變化，刀尖的幾何形狀誤差不會(huì)影響加工輪廓的精度。如圖5所示：圖3 刀具單軸擺動(dòng)走圓弧軌跡原理圖Fig.3 The principle diagram tool take single axis swing arc trajectory1.2加工設(shè)備的新要求先前的軸承座加工設(shè)備存在諸多難以克服的缺點(diǎn)：普通數(shù)控車，加工原理存在不足，兩軸插補(bǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性要求高，保持精度需付出高昂的使用成；老式擺刀鏜僅能加工立式座，加工工序單一，尺寸不能準(zhǔn)確量化調(diào)整，刀具違背粗、精分立的機(jī)械加工原則；二者又都存在自動(dòng)化程度低的問題。在軸承產(chǎn)品品質(zhì)要求不

10、斷提高、用工成本上升的當(dāng)下，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和加工過程的自動(dòng)化程度成為企業(yè)的必然選擇2。綜合考慮加工原理、自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)難易程度等因素，今后的軸承座球面孔加工行業(yè)的發(fā)展，必然是向基于刀具單軸擺動(dòng)成形原理的鏜削加工方向傾斜?；谏鲜鰞煞N設(shè)備的缺點(diǎn)和行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，市場(chǎng)需要具有下列特點(diǎn)、更先進(jìn)的機(jī)床：加工球形精度、球徑精度大幅度提升，并持續(xù)穩(wěn)定；工序集中，能夠一次裝夾完成球面孔和油槽的加工；適應(yīng)更多的軸承座類型，能滿覆蓋如圖4、圖5所示的立式座、法蘭座等市面上80%以上的量產(chǎn)品種；自動(dòng)化程度提高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上料、自動(dòng)加工、自動(dòng)排料，滿足一人多機(jī)的操作模式3。圖4 立式鑄鐵軸承座外形圖Fig.4 The

11、 outline drawing of vertical cast iron bearing seat圖5 法蘭式鑄鐵軸承座外形圖Fig.5 The outline drawing of flange type cast iron bearing seat2設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新針對(duì)上述行業(yè)要求和發(fā)展趨勢(shì)，基于刀具單軸擺動(dòng)成形原理的系列軸承座球面孔數(shù)控鏜床4應(yīng)運(yùn)而生，為適應(yīng)立式座和法蘭座的加工需要，該系列鏜床又分別對(duì)應(yīng)為臥式結(jié)構(gòu)和立式結(jié)構(gòu)兩大類如圖6、圖7所示，其核心部件基本相同，便于日常維護(hù)和刀具的通用。鏜床主要由床身、主軸箱、進(jìn)給系統(tǒng)、鏜刀系統(tǒng)、擺刀機(jī)構(gòu)、自動(dòng)夾具、上下料機(jī)構(gòu)、供理料機(jī)、氣動(dòng)系

12、統(tǒng)、防護(hù)罩等構(gòu)成。以下僅介紹關(guān)鍵性的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1操作箱；2自動(dòng)機(jī)械手；3自動(dòng)夾具；4排屑槽；5床身；6護(hù)罩；7電柜；8集中潤(rùn)滑圖6 臥式鏜床結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 The structure of horizontal boring machine 1操作箱；2自動(dòng)機(jī)械手；3自動(dòng)夾具；4排屑槽；5床身；6護(hù)罩；7電柜；8集中潤(rùn)滑圖7 立式鏜床結(jié)構(gòu)圖Fig. 7 The structure of vertical boring machine2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的確定球面孔的鏜削分為四步：粗鏜底孔、粗鏜球面、鏜油槽、精鏜球面。球徑尺寸S47-110mm尺寸段的HT200灰鑄鐵外球面軸承座各工序加

13、工工藝參數(shù)范圍，見表1:表1 外球面軸承座各工序加工工藝參數(shù)范圍簡(jiǎn)表Tab. 1 The range profile of machining parameters for each working procedure工序項(xiàng)目參考值具體工序工序圖示切削余量（mm）進(jìn)給速度（mm/r）主軸轉(zhuǎn)速（rpm）粗鏜底孔h1+h2：2-3 0.3-0.4500-250粗鏜球面h3：1.6-1.8 0.3-0.4450-250鏜油槽h4：0.5-0.70.1-0.2350-200精鏜球面0.1-0.2 0.05-0.1 600-350其中軸承座球面孔各工序鏜削余量的組成如圖8所示。SR為球面孔半徑，SR=S

14、/2；b1為球面孔寬度(弦寬)；h1為拔模斜度產(chǎn)生的切削余量，h1= b1/2tg；h2為設(shè)計(jì)余量，1.00 mm；h3為球面孔鏜削最大余量(弦高)； h4為油槽深度；h3=SR-(SR2-(b1/2)2)-1/2；h1+h2為底孔鏜削最大余量；為拔模斜度(在軸向剖面上從球面孔中心位置向兩邊對(duì)稱傾斜)，3圓柱孔鏜削余量由拔模斜度產(chǎn)生的切削余量h1和設(shè)計(jì)余量h2組成；球面孔鏜削余量等于球面孔輪廓在軸向剖面上對(duì)應(yīng)的弦高h(yuǎn)32。圖8 軸承座球面孔鏜削余量分配圖Fig. 8 The distribution diagram of Boring allowance for each working pr

15、ocedure根據(jù)以上參數(shù)結(jié)合鏜床的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，經(jīng)計(jì)算確定新設(shè)計(jì)的數(shù)控軸承座球面孔鏜床的主要傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如下：主軸驅(qū)動(dòng)采用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)(6級(jí)，1000 rpm，4 kW)，經(jīng)同步帶減速傳動(dòng)(速比2:1)，主軸額定轉(zhuǎn)速為500 rpm，最大輸出扭矩76N.m；主軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)（0.9kW，8.5N.m）5，經(jīng)滾珠絲杠放大，可以產(chǎn)生5000N的進(jìn)給力，最大進(jìn)給速度為500mm/min,最大快移速度5000 mm/min；擺刀進(jìn)給驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)（0.75kW，2.5N.m）4，經(jīng)滾珠絲杠放大，可產(chǎn)生3000N的進(jìn)給力,最大進(jìn)給速度為300mm/min，最大快移速度3000 mm/m

16、in?？沙浞譂M足上表中的工件加工工況。2.2主軸及主軸箱進(jìn)給部分的設(shè)計(jì)由于外球面軸承座加工為內(nèi)球面鏜削，且為斷續(xù)切削，加工過程中沖擊震動(dòng)帶來的表面質(zhì)量差、加工精度不穩(wěn)定及刀具損耗快等問題，長(zhǎng)期以來一直困擾著該類零件的加工行業(yè)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工精度持續(xù)穩(wěn)定，必須解決這些問題。新的數(shù)控軸承座球面孔鏜床在主軸及進(jìn)給設(shè)計(jì)方面采取的措施是：主軸為套筒式結(jié)構(gòu)如圖9所示，采用精密級(jí)單列角接觸球軸承和雙列短圓柱軸承“前三后一”的經(jīng)典鏜銑主軸結(jié)構(gòu)布局，前端3套7018AC，后端1套NN3018，具有高剛性、易維護(hù)等特點(diǎn)。主軸端部為ISO BBT50雙拘束接口，即主軸與鏜刀刀柄實(shí)現(xiàn)錐面和端面同時(shí)過定位配合，具有極佳

17、的接觸剛性，且定心精度高、互換性好，是目前世界上最先進(jìn)的主軸與刀具連接方式之一。主軸箱進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)預(yù)拉伸滾珠絲杠副帶動(dòng)，可使進(jìn)給更加平順；拖板支承采用負(fù)游隙高剛性滾柱直線導(dǎo)軌加阻尼器的形式，兼具滾動(dòng)導(dǎo)軌的靈活性和滑動(dòng)導(dǎo)軌的阻尼性優(yōu)點(diǎn)，可衰減斷續(xù)切削帶來的振動(dòng)沖擊且精度保持可達(dá)5年以上；拖板采用低重心設(shè)計(jì)，主軸軸線與支承導(dǎo)軌處于同一平面，使受力點(diǎn)與支撐點(diǎn)三點(diǎn)一線距離最近，提升進(jìn)給系統(tǒng)剛性。該結(jié)構(gòu)完全優(yōu)于先前擺刀鏜進(jìn)給拖板采用液壓驅(qū)動(dòng)、滑動(dòng)導(dǎo)軌支撐的結(jié)構(gòu)。如圖9所示： 1主軸；2底座；3絲杠；4導(dǎo)軌；5主軸箱圖9 主軸及主軸箱進(jìn)給部分示意圖Fig.9 The schematic dia

18、gram of spindle and spindle box feeding從實(shí)際使用情況來看，主軸和主軸箱進(jìn)給部分設(shè)計(jì)采取上述應(yīng)對(duì)措施，二者又集成在主軸箱上，在斷續(xù)鏜削加工的工況中，可有效降低刀具加工時(shí)產(chǎn)生的自激振動(dòng)幅值，反映到加工效果上表現(xiàn)為：表面質(zhì)量提升（粗糙度可達(dá)Ra1.25-1.6m）、刀具損耗降低（單個(gè)刀片可加工4000-5000件）及由此帶來的尺寸穩(wěn)定性（連續(xù)100件球徑尺寸差0.012-0.015）提高。最終給客戶帶來的經(jīng)濟(jì)效益還是比較明顯的。2.3組合鏜刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)球面孔的鏜削分為四步：粗鏜底孔、粗鏜球面、鏜油槽、精鏜球面，共需要5把刀。新設(shè)計(jì)的組合鏜刀系統(tǒng)如圖10所示，將這

19、些刀具融合到一起，5把刀具各負(fù)其職，互不干擾6。該系統(tǒng)中，2把粗鏜底孔刀具進(jìn)給是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿帶動(dòng)主軸箱運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；粗鏜球面、鏜油槽、精鏜球面刀具進(jìn)給是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒條帶動(dòng)齒輪擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)。圖10 組合鏜刀系統(tǒng)示意圖Fig.10 The schematic diagram of composite boring tool system其中精確控制球徑尺寸的裝置是如圖11所示的可調(diào)型精鏜單元。此單元可用專用扳手調(diào)整螺母，順時(shí)針加尺寸，逆時(shí)針減尺寸，調(diào)整完畢自動(dòng)鎖定。螺母上有刻度盤，每格0.01mm；座圈上有微調(diào)刻度，可實(shí)現(xiàn)最小分辨率為0.001mm的量化調(diào)整7。圖11 可調(diào)型精鏜單元Fig.

20、11 Adjustable precision boring unit2.4自動(dòng)化物料系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控軸承座球面孔鏜床系列產(chǎn)品自動(dòng)化解決方案，主要針對(duì)立式座、法蘭座進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要分為三部分：上下料輸送裝置、自動(dòng)機(jī)械手、自動(dòng)夾具。下面以立式座為例介紹，法蘭座與之類似不再贅述。以立式座為例其輸送裝置如圖,12所示，分為毛坯供料輸送帶、完序理料輸送帶。兩條輸送帶由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，均為不銹鋼材質(zhì)，具有極強(qiáng)的耐磨性。其中供料側(cè)輸送帶采用變頻調(diào)速，以適應(yīng)大小工件不同的生產(chǎn)節(jié)拍。圖12 工件上下料輸送裝置(俯視)Fig.12 Workpiece conveying device (overlooking)自動(dòng)機(jī)械

21、手和夾具如圖13所示。機(jī)械手采用桁架式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)抓取單元分布在可水平移動(dòng)的橫梁兩端，左端抓取單元從供料輸送帶上抓取工件，提升后水平移動(dòng)至自動(dòng)夾具；與此同時(shí)，右端抓取單元從夾具上把完序件抓取提升后，水平移動(dòng)放置到理料輸送帶上，從而完成工件的上下料動(dòng)作。自動(dòng)夾具配合機(jī)械手工作，上料時(shí)機(jī)械手將工件放至夾具內(nèi)夾緊定位，加工完畢后，夾具松開工件，機(jī)械手將工件抓取移動(dòng)至理料輸送帶。圖13 立式座機(jī)械手和夾具Fig.13 The mechanical hands and clamp for vertical bearing seat3實(shí)際應(yīng)用效果目前，數(shù)控軸承座球面孔鏜床已經(jīng)在福建、河南等地外球面軸承座生產(chǎn)

22、廠家批量使用，主要用于加工HT200立式座和法蘭座。通過近兩年各家投入使用的情況來看，數(shù)控軸承座球面孔鏜床相對(duì)普通數(shù)控車床具有明顯的優(yōu)勢(shì)，各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比見表28，：另外，江蘇部分外球面軸承座生產(chǎn)廠家設(shè)備技改力度走在國(guó)內(nèi)前列，已進(jìn)入全功能精密數(shù)控車床時(shí)代，此類車床新投入使用階段的加工精度已經(jīng)接近鏜床。但是其采購(gòu)及后續(xù)使用成本高昂，且難以解決自動(dòng)化上下料的問題，僅有個(gè)別實(shí)力較強(qiáng)的廠家小范圍使用。由于其不具有行業(yè)普遍性，在此不再作為對(duì)比目標(biāo)列入下表中。表2 數(shù)控軸承座球面孔鏜床與普通數(shù)控車床加工外球面軸承座情況對(duì)比表Tab. 2 Compared with the processing condition between lathe and boring machine加工設(shè)備加工精度穩(wěn)定性效率自動(dòng)化程度能源消耗情況人員素質(zhì)及數(shù)量安全及生產(chǎn)管理數(shù)控球面孔鏜床球形誤差穩(wěn)定一般0.01mm；全自動(dòng)上下料降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；總功率小于8千